发现宇宙深处的超级黑洞

黑洞是什么？黑洞在哪里？如何寻找黑洞？这些都是人们经常关心的话题。黑洞也以其特有的魅力，吸引着众多天体物理学家。今天，就请跟着我们来一窥神秘的黑洞吧！
　　黑洞是“黑”的吗？
　　200多年前，英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出： 一个质量足够大但体积足够小的致密恒星会产生强大的引力场，以至于连光线都不能从其表面逃逸，因此它对我们来说是完全“黑”的。但这一推论随后就被人遗忘，因为其所用的牛顿理论解决不了引力对光的作用问题。1915年爱因斯坦发表广义相对论不久，德国数学家史瓦西在静态和球对称假设下得到了爱因斯坦场方程的解，解在一个特殊半径（后称史瓦西半径）处存在奇异性。1939年，美国物理学家奥本海默等进一步用相对论证明确实存在一个“时间-空间”区域，光都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。这一区域的边界被称为视界，在静态球对称的情况下，视界半径就是史瓦西半径。如果某天体的半径小于史瓦西半径，那么该天体就应该是“黑”的，它自身无法被我们看到。物理学家们把这些非常致密、引力大而“看不到”的天体称之为“黑洞”。
　　
　　我们在宇宙中能否真正找到这些神秘的“黑洞精灵”呢？天文学家的确已发现了许多不是黑洞的致密天体，如白矮星和中子星，它们是恒星演化到晚期时的产物，且都有一个质量上限，分别为1.4倍和3.2倍的太阳质量。如果在恒星演化晚期，能形成比中子星质量更大的致密天体，那它就可能是黑洞了。
　　我们银河系中一半以上的恒星都有伴星，即位于双星系统中。当双星系统演化时，其中一颗大质量的恒星在经历超新星爆发后会形成致密天体，它强大的引力会吸积从另一颗星流过来的物质，这些物质以螺旋状的轨道向里快速运动，并且变得非常热而在致密天体周围发出X射线光。天文学家通过分析这些X射线双星的观测数据，可计算出其中致密天体的质量。科学家对银河系内的一个致密X射线源天鹅座X-1的计算表明，其不可见致密天体的质量大约是太阳质量的10倍，因此它不可能是白矮星或中子星，只可能是一个黑洞。目前在银河系中已发现20多颗类似天鹅座X-1这样的黑洞X射线双星，它们的黑洞质量大约是太阳质量的4～20倍。
　　黑洞之迹
　　虽然黑洞自身的确是“黑”的，但宇宙中的黑洞却不是无迹可寻的，黑洞可通过强大引力吸积附近的物质在它周围发光。这使得天文学家可以通过观测黑洞周围的物质来发现黑洞，并测量它最重要的物理参数——质量。
　　超大质量黑洞与类星体
　　除了在银河系内寻找X射线双星中的黑洞外，天文学家对银河系及其他近邻星系中心进行的动力学测量也发现这些星系中心几乎都存在质量为几百万至几十亿太阳质量的“超大质量黑洞”。只是在这些与银河系相似的普通星系中，黑洞周围几乎没什么可供它吞食的物质，黑洞相对“安静”。可是，在某些活动星系中，丰富的物质分布在黑洞的周围，它们在围绕黑洞的飞速旋转中连续不断地落向黑洞，并在黑洞附近形成一个发光的吸积盘。好莱坞大片《星际穿越》中大家看到的黑洞光环就是这样形成的。
　　到了20世纪50年代，随着“二战”中发展起来的雷达技术被应用于天文学，我们发现了很多天体（这类天体统称为“射电源”）能发出肉眼不可见的无线电波。英国剑桥大学的天文学家将发现的几百个射电源汇总编成了以剑桥大学名字的首字母C打头的表，其中以第三个表最全，被称为“3C表”。要想知道这些射电源的本质，辨识出其在可见光波段的“光学对应体”就非常重要。
　　1960年，美国天文学家桑德奇等发现标号为3C48的射电源的光学对应体是一个类似恒星的天体，但用光学望远镜拍摄的光谱呈现出在恒星光谱中未曾见过的谱线。1962年，标号为3C273的射电源的光学对应体被发现也类似恒星。1963年，生于荷兰的美国天文学家施密特发现3C273的光谱与3C48相似，且成功辨认出光谱中最亮的谱线对应的其实是红移（由于宇宙膨胀导致的天体发光波长变长）之后的氢元素发射线。这颗红移为0.158的“类似恒星的天体”（即类星体）的发现在《自然》杂志上被公之于众。根据哈勃定律（即离我们越远的星系退行速度越大），大的红移意味着天体的距离越远。因此，虽然类星体的光学像类似恒星，但它并非恒星，而是非常遥远的天体。
　　类星体除了光学像类似恒星外，还有几个重要特点。它的光度（每秒钟释放的能量）极大，典型的类星体光度可达太阳光度的10万亿倍。与之对比，银河系总光度约是太阳光度的360亿倍，所以类星体的光度是银河系总光度的上千倍，这也是它们虽遥远但看起来仍很明亮的原因。为什么类星体具有如此大的发光本领呢？原因是它的发光原理和太阳很不一样，不是来自于原子的核反应，而是来自于被类星体中心吸积的物质所释放出的巨大引力能。科学家们认为这巨大引力的来源是类星体中心存在的超大质量黑洞。
　　类星体中心究竟有一个多大质量的黑洞呢？能否从观测上得到黑洞的质量呢？在太阳系中，我们通过测量行星围绕太阳运动的速度和行星到太阳的距离，可计算出太阳的质量。相似的办法也可用于估算类星体中心黑洞的质量。类星体的光谱主要由两部分组成：一部分是连续谱，一部分是叠加在连续谱上强而宽的发射谱线。后者来自于吸积盘之外由气体组成的宽发射线区，谱线宽度正比于气体运动的速度。前者来自于黑洞附近吸积盘的发光，其辐射强度越强，越能电离距离黑洞更远的宽发射线区气体。因此，只要测量类星体光谱中宽发射线的宽度和连续谱辐射的强度，就能估计出宽发射线区气体的运动速度和离黑洞的距离，从而像从行星的运动速度和距离得到太阳的质量一样，得到类星体中心黑洞的质量。目前的估算表明，大部分类星体的黑洞质量在1千万到10亿倍太阳质量之间，即类星体中心的确存在超大质量黑洞！
　　中国天文学家发现的宇宙早期超级黑洞2015年2月26日，在国际著名期刊《自然》上，我们的研究团队发表了题为《一个红移6.3、有120亿倍太阳质量黑洞的超亮类星体》的论文，宣布发现了迄今为止在遥远宇宙中发光本领最强（为太阳光度的430万亿倍）、中心黑洞质量最大的天体。这一宇宙早期超级黑洞的发现，刷新了人类使用两米级望远镜发现最遥远天体的历史，为探寻神秘的早期宇宙点亮了一盏最明亮的灯。
　　这一天体的光学图像是美国斯隆数字巡天拍的，但只凭图像并不知道它是何种天体，还需进行光谱观测。2013年，我们通过对它在光学和红外波段图像亮度的仔细分析，认为它可能是一个高红移类星体的候选体。它的第一个光学波段光谱是2013年12月29日利用云南丽江的2.4米光学望远镜拍摄的，从光谱分析我们初步判定它是一颗红移高于6.2的类星体。但由于丽江2.4米望远镜所拍光谱的分辨率还不够高，我们与国外天文学家合作申请利用美国两台更大的望远镜进行了高分辨率的光谱观测，证实了丽江2.4米望远镜的结果，确认它是一个红移为6.3的类星体。该类星体的光度为太阳光度的430万亿倍，比以前最亮的高红移类星体还亮4倍。随后，我们又利用美国和智利的3台望远镜做了近红外波段的光谱观测，并利用已红移至近红外波段的宽发射线的宽度和连续谱辐射的强度，估计出其中心黑洞质量约为120亿个太阳质量。这使其成为目前已知高红移类星体中光度最高、黑洞质量最大的类星体。它也是世界上唯一一颗利用2米级光学望远镜发现的红移6以上的类星体。
　　这一类星体的红移是6.3，距离我们有128亿光年。我们的宇宙年龄约为137亿年，因此当我们的宇宙只有9亿年时，这颗黑洞质量高达120亿倍太阳质量的类星体就已存在。这一超级黑洞的发现对宇宙早期黑洞的形成、增长及黑洞与星系的演化理论提出了巨大挑战。同时，它就像宇宙深处最明亮的灯塔，帮我们得到了许多以前不曾了解的宇宙早期的信息，为研究从极早期宇宙到近邻宇宙的物质分布和结构提供了前所未有的帮助。
　　尽管我们的发现在国内外引起了很大反响，但对这一宇宙早期超级黑洞仍有很多后续研究有待开展。我们将使用哈勃空间望远镜等大型天文设备对它进行进一步研究，期待不久的将来能揭示出这一宇宙早期超级怪物的更多奥秘。
　　丽江天文观测站
　　中国科学院云南天文台丽江天文观测站坐落于云南省丽江市高美古，海拔3200米。拥有我国及东亚地区口径最大的2.4米通用型天文光学望远镜。该镜具有一流的光学质量和非常高的跟踪和指向精度。
　　我们在研究上取得的进展仅仅是人类探索茫茫宇宙的一小步，更多的宇宙奥秘仍等待大家一起去探索。